Modèle de géotraitement QGIS pour les études de micro-zonages sismiques de premier niveau

L’institut de Géologie et Géo-ingénierie Environnementale (IGAG) du Conseil National de Recherche (CNR) est situé à Rome, à l’Unité de Recherche “Roma 1”. Il a été créé en 2002 par le regroupement de cinq anciens instituts et centres de recherche qui ont été actifs durant plus de 40 ans dans leurs domaines d’expertise. L’IGAG couvre un large éventail de disciplines scientifiques dans le domaine des sciences de la Terre, se concentrant en particulier sur l’étude de :

  • Géochimie environnementale et assainissement des eaux et sols contaminés;
  • Gisements minéraux et traitement des minerais, y compris le traitement des eaux usées;
  • Géoingénierie et sécurité dans l’excavation de roches;
  • Evolution géologique récente;
  • Prévention des risques naturels;
  • Géoarchéologie et archéométrie.
  • Géologie marine
  • Géomatique, analyse et développement de SIG.

L’étude de micro-zonage sismique de niveau 1 du territoire de Pietramontecorvino (Apulia, Italie du sud, localisée le long de la chaîne centrale et sud des Apennins) fait partie d’un projet de micro-zonage sismique de 63 municipalités du territoire de Foggia, conduite en collaboration avec l’autorité de bassin d’Apulia (Puglia Adb) et le département de géologie et de géophysique (DDG) de l’Université de Bari. Cette activité a été mise en valeur par le département italien de la protection civile (DPC) et financée par le Comité Interministériel de Planification Economique (CIP n°20/2004).

QGIS, outil de géotraitement pour les études de micro-zonages sismiques de premier niveau

Le micro-zonage sismique évalue le risque sismique à l’échelle locale en proposant d’identifier les portions de territoires caractérisées par un comportement sismique homogène. Le premier niveau de micro-zonage sismique a la particularité de définir les propriétés lithologiques et la géométrie des unités géologiques qui caractérisent ces portions de territoires (micro-zones).

L’observation des dommages causés par un tremblement de terre montre souvent des variations à l’échelle locale causées non seulement par les structures géologiques mais également par les différents types et qualités des constructions, résultant en différents risques sismiques.

Le micro-zonage sismique évalue le risque sismique local à travers l’identification de portions du territoire, caractérisées par un comportement sismique homogène.

L’ouvrage Guide et Critères pour le micro-zonage sismique de 2008 (http://www.protezionecivile.gov.it/jcms/it/view_pub.wp?contentId=PUB1137) est le standard pour les études de micro-zonage sur le territoire italien; il distingue trois niveaux (de 1 à 3).

Le premier niveau de micro-zonage sismique consiste à créer trois cartes thématiques:

  1. Carte de levé, incorporant les levés des études de micro-zonation sismique;
  2. Carte géo-lithologique, dérivée de cartes géologiques et géomorphologiques à une échelle détaillée intégrant les données lithologiques, stratigraphiques et géotechniques liées aux levés;
  3. La carte de micro-zonation sismique de niveau 1 (le produit principal de la micro-zonation de niveau 1) , identifiant les micro-zonations en trois catégories de risques locaux :
    • Zones stables;
    • Zones stables sujettes à amplification;
    • Zones instables

L’objectif de ce travail consiste à créer une méthodologie pour traiter les données topographiques, géologiques, géophysiques et géo-techniques pour pouvoir dessiner les zones sismiques de niveau 1 en utilisant des outils libres.

Le modeleur graphique intégré dans la dernière version de QGIS (2.8.1 au moment de la rédaction) a été utilisé pour la création d’un modèle de géo-traitement simple. Cet outil est très utile pour automatiser un des analyses couramment utilisée pour la création des cartes de micro-zonage sismique de niveau 1, en particulier pour identifier les zones instables sous forme de polygones.

Le modèle utilise différents outils et bibliothèques libres (GRASS, GDAL, QGIS), démontrant l’utilité de QGIS en tant qu’interface graphique simple et unifiée pour différents outils GFOSS (Geospatial Free and Open Source Software) (Fig. 1).

Geoprocessing model

(Fig. 1) Aperçu du modèle de géotraitement.

Le modèle reçoit en entrée (Fig. 2):

  • Une couche des courbes de niveau contenant un champ avec la valeur d’élévation
  • Le nom du champ contenant les valeurs d’élévation;
  • La résolution raster souhaitée pour le MNT et les pentes (10 par défaut)
  • Une fichier shapefile de polygones à partir duquel seront extraits les objets intersectant les zones de pente supérieures à 15%;
  • Le nom de la couche polygone résultante.
Model input form (left) and execution log (right)

(Fig. 2) Formulaire d’entrée du modèle (gauche) et journal d’exécution (droite).

Dès que lancé, le modèle produit les opérations suivantes:

  • L’outil GRASS v.to.rast.attribute transforme les lignes de contours des élévations en raster, en acceptant en entrée le shapefile des contours, le nom du champ Z et la résolution du raster;
  • L’outil GRASS r.surf.contour crée un modèle d’élévation en prenant en entrée la sortie raster temporaire de l’étape précédente et la résolution du raster;
  • L’outil GDAL “gdaldem” crée une pente exprimée en degrés à partir d’un modèle d’élévation;
  • L’outil GRASS r.mapcalculator est utilisé pour générer un raster 1 bit identifiant les aires ayant une pente de plus de 15 degrés (cette valeur est codée dans les lignes de guide des microzones, et donc valeur fixe), en utilisant l’expression:

if(A>15,1,null())

où A est le raster de pente temporaire généré par gdaldem;

  • L’outil GDAL “gdal_plolygonize” transforme un raster 1 bit en polygones;
  • L’outil QGIS “Intersection” est utilisé pour superposer les zones avec une pente supérieure à 15 degrés avec la couche intersection choisie.

Le résultat consiste en une couche de polygones où le risque d’instabilité est grand à cause d’une valeur de pente supérieure à 15 degrés. Cette information est automatiquement extraite d’une carte thématique telle que la couche des glissements de terrain (Fig. 3) ou une carte lithologique.

The model output (in red) shows highly unstable areas extracted from a landslides layer (orange)

(Fig. 3) La sortie du modèle (en rouge), montre des zones de grandes instabilités extraites de la couche des glissements de terrain (orange).

Conclusions

Ce travaille montre clairement que les outils libres de SIG comme QGIS, GRASS, GDAL/OGR peuvent être utilisés avec succès pour l’analyse spatiale et le traitement de données visant les études de micro-zonages sismiques de premier niveau. Dans cet exemple de travail, QGIS a été utilisé comme interface simple et unifiée pour les différents outils sus-cités; le modeleur graphique permet de construire des modèles de géo-traitements de manière intuitive. Ces modèles peuvent être facilement partagés sous forme d’outils multi-plateforme et portable sans avoir besoin de licences logicielles inabordables. L’outil renforce les capacités de modelisation de QGIS pour chaîner graphiquement différents algorithmes, en définissant les paramètres d’entrées et de sortie et en laissant au logiciel le soin de gérer les données intermédiaires. L’utilisation d’algorithmes GRASS n’impose pas d’utiliser des jeux de données et une base de données GRASS ce qui simplifie grandement le processus d’élaboration du modèle. De futures développements incluent la création d’un ensemble d’outils et de modèles, basés sur du logiciel libre, qui pourra être utilisé pour simplifier et accélérer les tâches d’analyse spatiale nécéssaire aux études de micro-zonage sismique.

Références

  • G. Baldassarre; Gallicchio, S.; Giannandrea, P. & Tropeano, M.: “Relazione Finale Geolitologica per la microzonazione sismica di livello 1dei Comuni della Provincia di Foggia Dipartimento di Geologia e Geofisica dell’Università di Bari, 2011”
  • Cavinato,G.P.; Cavuoto, G.; Coltella, M.; Cosentino, G.; Paolucci, E.; Peronace, E. & Simionato, M.: “Studio di fattibilità per il monitoraggio e la messa in sicurezza delle aree urbane a rischio di stabilità statica e vulnerabilità strutturale del Comune e della Provincia di Foggia - CIPE 20/2004 Consiglio Nazionale delle Ricerche - Istituto di Geologia Ambientale e Geoingegneria, 2013, 526”
  • Contributi per l’aggiornamento degli “Indirizzi e criteri per la microzonazione sismica ” 2008. Ingegneria sismica, Pàtron Editore Bologna, 2011 (http://www.protezionecivile.gov.it/jcms/it/view_pub.wp?contentId=PUB28083)
  • Gruppo di lavoro MS, 2008. Indirizzi e criteri per la microzonazione sismica. Conferenza delle Regioni e delle Province autonome - Dipartimento della protezione civile, Roma, 3 vol. e Dvd, Presidenza del Consiglio dei Ministri, Dipartimento di Protezione Civile, 2008, 424. (http://www.protezionecivile.gov.it/jcms/it/view_pub.wp?contentId=PUB1137)

Auteurs

Cet article est une contribution de Giuseppe Cosentino et Francesco Pennica (www.igag.cnr.it) en mars 2015.

Giuseppe Cosentino

Giuseppe Cosentino

Giuseppe Cosentino <g.cosentino@igag.cnr.it> est un géologue et technicien spécialisé dans les Systèmes d’Information Géographique de la gestion de risques géologiques et technologiques. Il travaille actuellement dans le domaine des micro-zonages sismiques et la caractérisation environnementale des terrains des sites contaminés. Ses centres d’intérêts sont: géologie, les risques environnementaux, la cartographie, la géologie structurelle, les forages exploratoires.

Francesco Pennica

Francesco Pennica

Francesco Pennica est fournisseur de services SIG et WebSIG, que ce soit dans le développement ou la gestion de données: GeoServer, MapServer, ArcGIS Server, les services OGC standard offerst par GeoNetwork, Java, HTML, CSS, Javascript, Python, PHP et ses cadriciels, les portails WebSIG développés avec OpenLayers, ExtJS, GeoExt, JQuery, GWT, Ext-GWT, Google Maps API SQL, la gestion des bases de données spatiales PostgreSQL, PostGIS, les outils de SIG bureautiques et leurs outils de scripts (ArcGIS, GRASS, outils GFOSS), la configuration logicielle sous les serveurs et les stations de travail Linux et Windows.